Файл: Rozrakhunkovo_grafichna_robota.docx

3. Робоча програма та методичні вказівки до розділів дисципліни

Розділ 1. Елементи фізики напівпровідників та процеси у переходах метал – діелектрик - напівпровідник, електронно-діркових гомо- і гетеропереходах

Предмет і завдання дисципліни. Основні етапи розвитку мікроелектроніки. Основні матеріали напівпровідникової техніки. Елементарні напівпровідники IV підгрупи періодичної системи. Сполуки А₃В₅ та А₂В₆. Інші напівпровідникові матеріали. Їх властивості.

Зонна структура напівпровідників. Статистика електронів і дірок у напівпровідниках. Положення рівня Фермі. Питома електропровідність напівпровідників. Рухливість носіїв заряду. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Нерівноважні носії заряду. Рекомбінація носіїв заряду та тривалість їх життя. Дрейфові і дифузійні струми у напівпровідниках. Рівняння неперервності. Термоелектронна емісія у напівпровідниках.

Р-n перехід і фізичні процеси в ньому. Способи виготовлення р-n - переходів. Різкі та плавні переходи. Діаграма енергетичних зон переходу. Процеси в р-n - переході при відсутності зовнішньої напруги. Утворення запірного шару і дифузійного електричного поля в ньому. Висота потенціального бар’єра та контактна різниця потенціалів. Процеси в р-n - переході під дією зовнішньої напруги. Інжекція і екстракція носіїв заряду. Теоретичні та реальні вольт-амперні характеристики (ВАХ) р-n - переходу. Види пробоїв р-n-переходів. Ефект поля в поверхневому шарі напів-провідникового кристалу.

Класифікація контактів: р-р⁺, n-n⁺ контакти, контакт метал-напівпровідник, контакт метал – діелектрик - напівпровідник, гетеропереходи. Енергетична діаграма контакту метал-напівпровідник. Перехід Шоткі. (ВАХ) переходу. Особливості ВАХ реальних випрямних контактів. Інжекційні та омічні контакти. Вимоги до омічного контакту.

Ізотипні та анізотипні гетеропереходи. Різкі та плавні гетеропереходи. Зонні діаграми гетеропереходів. Основні моделі струмопроходження через гетеропереходи. Електричні властивості гетеропереходів. Теоретичні та реальні ВАХ гетеропереходів.

Методичні вказівки

Даний розділ є вступним та служить своєрідним фундаментом для вивчення усіх інших розділів. Без його засвоєння неможливо зрозуміти принципи функціювання основних приладів твердотільної електроніки. При вивченні цього розділу необхідно згадати основні положення курсу загальної фізики та фізики твердого тіла.

Особливе значення мають: інтерпретація зонного характеру енергетичних спектрів кристалічних твердих тіл, яку засновано на одночастинковому рівнянні Шредінгера; поняття валентної, забороненої зони та зони провідності; принцип Паулі; поняття ковалентних зв’язків та ковалентних пар; генерація та рекомбінація носіїв заряду; поняття рівня Фермі та енергії активації; механізм утворення потенційного бар’єру для носіїв при контакті напівпровідників різних типів провідності та інше.

Повторивши ці поняття, необхідно вивчити механізми власної, електронно-діркової провідності напівпровідників. При цьому звернути увагу, що при реалізації домішкової провідності число вільних носіїв одного знаку набагато більше, ніж вільних носіїв іншого знаку,оскільки утворення вільних носіїв за рахунок іонізації домішкових атомів не супроводжуються звільненням носіїв протилежного знаку. Саме тому питома електропровідність донорного та акцепторного напівпровідників вища, ніж питома електропровідність напівпровідника бездомішкового (чистого).

Вивчивши механізми дифузійного та дрейфового току у напівпровіднику та відмінність їх природи, перейти до вивчення фізичних властивостей p-n переходу.

Особливу увагу слід звернути на утворення внутрішнього, дифузійного електричного поля у приконтактних шарах двох напівпровідників з різними типами провідності та зв’язаного з ними потенційного бар’єру, який слугує обмежуючим фактором для дифузійного руху основних носіїв заряду через перехід. Необхідно вміти пояснити зниження потенційного бар'єру при прямому зміщенні переходу (через векторне додавання зовнішнього Е_пр і внутрішнього Е_диф полів) і його збільшення при зворотному зміщенні. Звернути увагу на зміст таких термінів як: інжекція, екстракція, рівноважна і нерівноважна концентрація носіїв заряду, градієнт концентрації, контактна різниця потенціалів, запірний шар, область просторового заряду та інше. Для розуміння та засвоєння роботи усіх без виключення напівпровідникових приладів слід вміти аналітично (у формульному вигляді) і фізично показати, що збіднений носіями приконтактний шар (власне p-n перехід) при збільшенні зворотної напруги, прикладеної до омічних контактів, розширюється, а при збільшенні прямої напруги - звужується. Це фізичне явище, що обумовлює залежність бар'єрної ємності p-n переходу від зовнішньої напруги. Примітним є той факт, що ширина переходу в області р або n області обернено пропорційна концентрації акцепторних та донорних домішок.

При розгляді ємності переходу треба знати причину її виникнення та вміти пояснити, чому при прямому зміщенні визначальною є дифузійна ємність, а при зворотньому - бар'єрна ємність p-n - перехода.

При порівняльному розгляді теоретичної і реальної ВАХ p-n переходу необхідно вміти першу обґрунтувати аналітично, тобто за допомогою формули, а на другій вказати ділянки, властиві реальному p-n - переходу (діоду). При цьому особливо важливо обґрунтувати такі три факти: наявність на реальній ВАХ ділянки пробою (при цьому потрібно знати природу та класифікацію пробоїв p-n перехода); зростання зворотного струму при зворотних напругах до настання пробою ; зменшення крутизни прямої гілки реальної ВАХ у порівнянні з теоретичною.

При вивченні електричних переходів інших видів особливу увагу потрібно звернути на випрямні та не випрямні (омічні) контакти «метал-напівпровідник» та фізичні процеси у них. Треба вміти довести, що у випадку випрямного контакту «метал-напівпровідник» у ньому відсутня явище інжекції, накопичення та розсмоктування неосновних носіїв заряду. Ця обставина дозволяє конструювати на базі таких переходів швидкодійні діоди Шотткі. Потрібно звернути увагу також на особливості омічних контактів, оскільки вони є обов’язковим елементів усіх напівпровідникових приладів.

Нарешті необхідно розібратися з особливостями зарядоперенесення та випрямлення струму на гетеропереходах, з’ясувати переваги та недоліки приладів створених на базі таких структур. При створені гетеропереходів близьких за властивостям до ідеальних слід засвоїти, що потрібно підбирати контактуючі матеріали з близькими періодами кристалічної гратки та коефіцієнтами термічного розширення.

Література: [1], с. 3-43; [2], с. 57-99, 156-171, 195-210

Питання до самоконтролю

1. Пояснити механізм власної провідності напівпровідників.

2. Пояснити механізм електронної провідності напівпровідників. Як отримати матеріал n-типу провідності?

3. Пояснити механізм діркової провідності напівпровідників. Як отримати матеріал р-типу провідності?

4. Чому електропровідність домішкових напівпровідників зазвичай вища, ніж чистих напівпровідників? Як це пов’язано з глибиною залягання рівня домішок у забороненій зоні матеріалу.

5. Чому зі збільшенням температури рухливість носіїв у напівпровіднику зменшується? Які види розсіювання носіїв заряду у напівпровідниках існують?

6. Охарактеризувати існуючі способи виготовлення p-n переходів.

7. Записати і пояснити формули, що описують густину повного дрейфового та повного дифузійного струму в напівпровіднику.

8. Пояснити, яким чином в p-n переході при відсутності зовнішньої напруги виникає дифузійне електричне поле та як воно впливає на концентрацію основних та неосновних носіїв заряду.

9. Записати вираз для контактної різниці потенціалів на p-n переході та пояснити, за рахунок чого в переході при U = 0 виникає потенціальній бар’єр.

10. Записати вираз, що описує зв'язок рівноважної концентрації неосновних носіїв заряду в р - та n - областях напівпровідника з рівноважною концентрацією основних носіїв та контактною різницею потенціалів.

11. Охарактеризувати явище екстракції носіїв на контакті двох напівпровідників (на p-n переході).

12. Чому при прямому підключені p-n переходу до зовнішньої напруги відбувається збільшення концентрації неосновних носіїв заряду біля переходу у порівнянні з їх рівноважною концентрацією.

13. Чому струм через p-n перехід при напрузі зміщення U = 0 не протікає, хоча спостерігається дифузійне та дрейфове переміщення носіїв заряду?

14. Чому при зворотному включенні p-n переходу зменшується концентрація неосновних носіїв заряду біля переходу у порівнянні з їх рівноважною концентрацією?

15. Чому при збільшені зворотної напруги потенційний бар’єр на p-n переході збільшується?

16. Вивести формулу для опису теоретичної ВАХ p-n переходу. На яких явищах базуються вентильні властивості p-n переходу?

17. Пояснити, як та чому товщина збідненої області на p-n переході залежить від прикладеної зовнішньої напруги.

18. Зобразити аналітично та пояснити фізично, яким чином концентрація домішок впливає на товщину збідненої області p-n переходу.

19. Дати визначення різкого та плавного, симетричного та несиметричного p-n переходів.

20. Пояснити залежність бар’єрної ємності p-n переходу від прикладеної зворотної напруги.

21. Дати визначення та пояснити природу дифузійної ємності p-n переходу.

22. Зобразити повну еквівалентну схему p-n переходу.

23. Чому пряма гілка реальної ВАХ проходить трохи нижче, ніж пряма гілка теоретичної ВАХ? Чому зворотний струм реального p-n переходу завжди дещо більший за струм насичення?

25. Охарактеризувати основні види пробоїв p-n переходу.

26. Чому на ділянці теплового пробою ВАХ спостерігається область негативного диференційного опору?

27. Охарактеризувати фізичні процеси в області контакту «метал-напівпровідник». Як застосовують випрямні та омічні контакти?

28. Які переваги та недоліки використання гетеропереходів при створенні приладів електроніки?

29. Описати основні моделі струмопроходження через гетеропереходи.

30. Навести зонні діаграми різних типів гетеропереходів та вирази, що описують ВАХ переходу для різних моделей зарядоперенесення.

Розділ 2. Напівпровідникові діоди

Класифікація та система позначень діодів. ВАХ ідеального діода. Струм насичення і його залежність від температури. Відмінність ВАХ германієвого і кремнієвого діодів. Випрямні діоди. Імпульсні діоди та перехідні процеси в них. Напівпровідникові стабілітрони і стабістори. Варикапи. Тунельні та обернені діоди. Високочастотні діоди. Універсальні діоди.